Аэробное окисление углеводов. цикл трикарбоновых кислот. Аэробное окисление углеводов Процессы аэробного окисления протекают в

Дыхание. Аэробное окисление углеводов происходит в присутствии кислорода воздуха, в связи с чем его часто называют дыханием.

В отличие от гликолиза (гликогенолиза), где конечным акцептором атомов водорода и электронов служит провиноградная кислота, при дыхании роль такого акцептора выполняет кислород. В первом случае в качестве конечного продукта образуется молочная кислота, в которой суммарная степень окисления углерода осталась такой же, как и у глюкозы, во втором случае образуется углекислый газ - значительно более простое соединение, у которого единственный атом углерода полностью окислен. Вместе с тем дыхание и гликолиз имеют много общих звеньев.

Дыхание, так же как и гликолиз, сопровождается образованием фосфорных эфиров глюкозы и фруктозы, фосфотриоз-диоксиацетонфосфата и глицеральдегид-3-фосфата, а также таких промежуточных продуктов, как 1,3-дифосфоглицериновая кислота, 3-фосфоглицерат, фосфоенолпирувати пировиноградная кислота. Многие реакции гликолиза и дыхания катализируются одними и теми же ферментами. Другими словами, при дыхании превращение глюкозы до молочной кислоты проходит все те этапы, что и при гликолизе. Однако при этом атомы водорода, отщепленные от глицеральдегид-3-фосфата, не восстанавливают пировиноградную кислоту, а передаются на кислород, пройдя через сложную систему ферментов дыхательной цепи.

Молочная кислота, образующаяся в процессе гликолиза, как уже говорилось, содержит еще довольно значительный запас (примерно 93 %) потенциальной энергии. Однако несмотря на это, первые живые организмы, извлекавшие энергию в анаэробных условиях, выделяли ее в окружающую среду.

С появлением в атмосфере Земли кислорода живые организмы выработали новые, более совершенные механизмы окисления, в результате которых количество высвобождающейся энергии оказалось намного больше, чем при гликолизе, поскольку конечным продуктом дыхания является СО 2 , атом углерода которого полностью окислен. Наряду с этим природа создала новые механизмы доокисления конечного продукта гликолиза, который выводился в окружающую среду. Иными словами, она как бы создала надстройку над гликолизом для окисления его конечного продукта в аэробных условиях, сохранив прежними многие его этапы.

При дыхании не образуется молочная кислота. Поэтому пировиноградная кислота является тем общим субстратом, или центральным звеном, где заканчивается гликолиз и начинается дыхание (или же расходятся пути гликолиза и дыхания - анаэробного и аэробного окисления глюкозы).

Сохранив прежние этапы гликолиза, клетки организма человека и высших животных сохранили способность окислять глюкозу в анаэробных условиях, в результате чего при недостатке кислорода они имеют возможность получать энергию таким путем. Однако при этом образовавшаяся в анаэробных условиях молочная кислота, обладающая довольно большим запасом энергии, не выбрасывается в окружающую среду, а накапливается и мышцах. Из мышц она током крови доставляется в печень, где снова превращается в глюкозу. При поступлении в клетку достаточного количества кислорода часть молочной кислоты окисляется дальше до СО 2 и Н 2 О.

Превращение молочной кислоты. Образовавшаяся при анаэробном окислении глюкозы молочная кислота окисляется до СО 2 и Н 2 О следующим образом. Сначала под действием фермента лактатдегидрогеназы, коферментом которой является НАД, она окисляется до пировиноградной кислоты:

которая затем под влиянием пируватдекарбоксилазы, представляющей собой сложный полиферментный комплекс, подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием активной формы уксусной кислоты - ацетил- КоА:

где ТПФ - тиаминпирофосфат; ЛК - липоевая кислота; HSKoA - коэнзим А.

В том случае, когда ткани хорошо снабжаются кислородом, пировиноградная кислота подвергается окислительному декарбоксилированию сразу, не восстанавливаясь до молочной кислоты. Восстановленный же кофермент НАД Н + Н + , образовавшийся при окислении глицеральдегид-3-фосфата, передает водород через ферменты аэробного обмена (т.е. дыхательную цепь) на кислород, образуя воду.

Превращение пировиноградной кислоты в ацетил-КоА является подготовительной, или переходной, стадией, благодаря которой углеводы через пировиноградную кислоту, а затем через ацетил-КоА включаются в новый этап - кислородное окисление. Другими словами, этот процесс - связующее звено между гликолизом и собственно дыханием. Однако уже в результате окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты до ацетил-КоА высвобождается около 9 % всей энергии окисления глюкозы, т.е. больше, чем при гликолизе в целом, где высвобождается всего 5-7 % энергии. Если учесть 5-7 % энергии гликолиза и 9 % энергии окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты, то всего выделяется 14-16 % энергии, аккумулированной в углеводах. Следовательно, остальные 84-86 % энергии сохраняется еще в молекуле уксусной кислоты.

Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса) представляет собой новый, более совершенный механизм окисления углеводов, выработанный у живых организмов с появлением на Земле кислорода. При помощи этого механизма происходит дальнейшее превращение уксусной кислоты в форме ацетил-КоА до СО 2 и Н 2 О в аэробных условиях с высвобождением энергии.

В связи с тем что первыми субстратами в процессе окисления уксусной кислоты являются трикарбоновые кислоты, а гипотезу о механизме этого окисления выдвинул X. А. Кребс, процесс назвали циклом трикарбоновых кислот, или циклом Кребса.

Первой реакцией цикла является реакция конденсации ацетил-КоА со щавелевоуксусной кислотой, которую катализирует фермент цитратсинтаза. В результате образуется активная форма лимонной кислоты - цитрил-KoA:

Гидролизуясь, цитрил-КоА превращается в лимонную кислоту:

Последняя под действием фермента аконитатгидратаза превращается в цис-аконитовую кислоту, которая, присоединяя воду, превращается в изолимонную кислоту:

Изолимонная кислота далее окисляется путем отщепления двух атомов водорода, превращаясь в щавелевоянтарную. Этой реакцией начинается отщепление СО 2 и первое окисление ацетил-КоА в трикарбоновом цикле. Щавелево-янтарная кислота, декарбоксилируясь, превращается в α-кетоглутаровую кислоту. Дегидрирование изолимон-ной и декарбоксилирование щавелево-янтарной кислот катализируется ферментом изоцитратдегидрогеназой с участием кофермента НАД + :

Следующим этапом цикла трикарбоновых кислот является реакция окислительного декарбоксилирования α-кетоглутаровой кислоты, в результате которой образуется янтарная кислота. Этот процесс протекает в две стадии. Сначала α-кетоглутаровая кислота подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием активной формы янтарной кислоты - сукцинил-КоА - и СО 2 . Эта реакция напоминает реакцию превращения пировиноградной кислоты до ацетил-КоА и катализируется также сложным полиферментным комплексом - α-кетоглутаратдегидрогеназой. В результате этой реакции происходит второе отщепление углекислого газа и дегидрирование уксусной кислоты, вступившей в цикл:

Образовавшаяся активная форма янтарной кислоты сукцинил-КоА, в отличие от ацетил-КоА, представляет собой макроэргическое тио-эфирное соединение, в котором аккумулирована энергия окисления α-кетоглутаровой кислоты.

На следующей стадии эта энергия используется для образования ГТФ (гуанозинтрифосфорной кислоты) из ГДФ и неорганической фосфорной кислоты и запасается в фосфатных связях этого соединения. Реакция катализируется ферментом сукцинилтиокиназой:

Образовавшийся в результате этой реакции ГТФ взаимодействует с АДФ, в результате чего образуется АТФ:

ГТФ + АДФ ГДФ + АТФ.

Синтез АТФ, сопряженный с окислением субстрата, является еще одним примером субстратного фосфорилирования.

В дальнейшем ходе цикла трикарбоновых кислот происходит еще два дегидрирования. Янтарная кислота под действием сукцинатде-гидрогеназы с участием кофермента ФАД + отщепляет два атома водорода и превращается в фумаровую кислоту, а ФАД + восстанавливается до ФАД Н 2 . Затем фумаровая кислота, присоединяя молекулу воды, образует яблочную кислоту (малат), которая при помощи малат-дегидрогеназы и кофермента НАД + снова подвергается дегидрированию. При этом образуется щавелево-уксусная кислота, т.е. субстрат, с которого начался цикл трикарбоновых кислот:

Регенерированная щавелево-уксусная кислота может снова вступать в реакцию с новой молекулой ацетил-КоА, и процесс начнется в том же порядке.

Общую схему цикла трикарбоновых кислот можно представить следующим образом:

Цикл трикарбоновых кислот

(в рамках показаны конечные продукты окисления ацетил-КоА).

Из приведенной схемы следует, что основная функция цикла Кребса заключается в дегидрировании уксусной кислоты. Если подвести баланс ферментативного дегидрирования одного цикла, можно легко подсчитать, что в результате реакций образуется восемь атомов водорода: шесть атомов используется для восстановления НАД + и два - для восстановления ФАД + сукцинатгидрогеназы.

Суммарная реакция этого цикла описывается следующим уравнением:

СН 3 СООН + 2Н 2 О → 2СО 2 + 8Н,

из которого следует, что четыре атома водорода принадлежат воде. Следовательно, остальные четыре образовались при дегидрировании уксусной кислоты, т.е. это весь водород, который был в составе ее молекулы. Одновременно с этим в виде оксида углерода (IV) дважды выделилось два атома углерода (один раз при декарбоксилировании щавелево-янтарной кислоты, второй - при декарбоксилировании α-кетоглутаровой кислоты), т.е. ровно столько, сколько их поступило в цикл в виде ацетальной группы.

Из приведенного выше уравнения также следует, что в цикл не вовлекаются ни кислород, ни АТФ, ни неорганическая фосфорная кислота. Все эти метаболиты взаимодействуют в дыхательной цепи, куда вовлекаются неорганическая фосфорная кислота, отщепленные при дегидрировании атомы водорода и кислород, а в результате окислительного фосфорилирования образуется АТФ. Энергия для этого процесса выделяется в результате окислительно-восстановительных реакций при передаче атомов водорода и электронов от восстановленных форм НАД Н 2 и ФАД Н 2 на кислород.

Процесс окислительного фосфорилирования подробно изложен в гл. 22. Напомним только, что на каждую пару электронов (пара атомов водорода) в дыхательной цепи путем окислительного фосфорилирования образуется три молекулы АТФ (одна при переносе атомов водорода от НАД Н + Н + к ФАД, вторая - при переносе пары электронов от цитохрома b к цитохрому с и третья - от цитохрома а 3 к атому кислорода). Таким образом, каждая окислительная стадия превращения глюкозы до СО 2 и Н 2 О, связанная с НАД, сопровождается образованием трех молекул АТФ, связанная с ФАД - образованием двух молекул АТФ.

Энергетический баланс окисления углеводов. Сначала подведем итог энергетического баланса за счет дегидрирования уксусной кислоты в цикле Кребса. Как мы уже установили, в этом цикле происходит четыре дегидрирования, в результате которых образовались три восстановленные формы НАД, одна- ФАД и путем субстратного фосфорилирования синтезировалась одна молекула АТФ:

Таким образом, в цикле Кребса синтезируется в шесть раз больше АТФ, чем при гликолизе. Если учесть еще две восстановленные молекулы НАД, образовавшиеся при окислении молочной и пировиноград-ной кислот, то это составит еще 6 молекул АТФ, а в сумме- 18. Поскольку глюкоза распадается на две фосфотриозы, количество АТФ увеличивается в 2 раза и составит 36 молекул.

Добавив к этому 2 молекулы АТФ, образовавшиеся в процессе гликолиза, получим общий баланс энергии, аккумулированной в мак-роэргических связях АТФ при окислении глюкозы до СО 2 и Н 2 О: 36 + 2 = 38.

Установлено, что полное окисление 1 моль глюкозы до СО 2 и Н 2 О сопровождается выделением 2872 кДж. В 38 молекулах АТФ аккумулируется 1270-1560 кДж, т.е. приблизительно 50 % всей энергии, высвободившейся в процессе окисления. Следовательно, остальные 50 % энергии рассеиваются в организме в форме теплоты для поддержания соответствующей температуры.

Из рассмотренных фаз окисления глюкозы исключительно важное значение имеет аэробная фаза. Если при анаэробном окислении, т.е. при образовании молочной кислоты, выделяется всего 197 кДж энергии, из которых 40 % аккумулируется в макроэргических связях двух молекул АТФ, то в аэробной фазе выделяется 2872 - 197 = = 2675 кДж, что составляет около 93 % всей энергии. Таким образом, основную массу энергии организм получает при дыхании.

Апотомический путь окисления глюкозы. Наряду с циклом Кребса во многих клетках существует и другой путь расщепления глюкозы, называемый апотомическим, или пентозофосфатным. Экспериментально установлено, что в аэробных условиях в эритроцитах, печени, почках глюкоза может окисляться до 6-монофосфоглюконовой кислоты, причем фруктозо-1,6-дифосфат в этом процессе не образуется. В результате такого окисления глюкозы образуется значительное количество пентоз. Этот путь был открыт советским биохимиком В. А. Энгельгардтом, а отдельные его этапы изучены О. Варбургом, Ф. Диккенсом, И. Д. Головацким и др. Пентозофосфатный путь не является главным путем окисления глюкозы. Основное его назначение состоит в том, чтобы снабжать клетки восстановленными формами НАДФ, необходимыми для биосинтеза жирных кислот, холестерина, пуриновых и пиримидиновых оснований, стероидов и др. Вторая функция этого пути заключается в том, что он поставляет пентозы, главным образом D-рибозу, для синтеза нуклеиновых кислот.

Пентозофосфатный путь расщепления глюкозы суммарно можно выразить следующим уравнением:

Глюкозо-6-монофосфат + 2 НАДФ + → Рибозо-5-монофосфат + СО 2 + 2 НАДФ·Н + Н + + 2Н + .

Пентозы, не использованные для биосинтеза нуклеиновых кислот и нуклеотидов, расходуются на биосинтез других соединений и регенерацию глюкозы.

Биосинтез углеводов

Существует два основных способа биосинтеза углеводов из относительно несложных метаболитов. Один из них заключается в восстановлении углекислого газа до глюкозы. Этот процесс, характерный для зеленых растений и называемый фотосинтезом, осуществляется за счет энергии солнечных лучей при помощи хлорофилла согласно следующему уравнению:

СО 2 + 2Н 2 О 1/6С 6 Н 12 О 6 + О 2 + Н 2 О.

Улавливая солнечные лучи и преобразуя их энергию в энергию углеводов, зеленые растения обеспечивают сохранение и развитие жизни на Земле. В этом заключается, по словам К. А.Тимирязева, космическая роль зеленых растений как посредника между солнцем и всем живым на Земле.

В последнее время работами группы ученых Института биохимии им. А. В. Палладина АН УССР под руководством академика М. Ф. Гулого показано, что ткани высших животных также способны фиксировать углекислый газ, хотя механизм фиксации его отличается от такового у фотосинтезирующих клеток. Он заключается в наращивании углеродного скелета оксидом углерода (IV) таких субстратов, как кетокислоты, жирные кислоты, аминокислоты и др.

В печени, почках и скелетных мышцах человека и высших животных существует другой путь биосинтеза углеводов, называемый глюконеогенезом. Это синтез глюкозы из пировиноградной или молочной кислоты, а также из так называемых гликогенных аминокислот, жиров и других предшественников, которые в процессе метаболизма могут превращаться в пировиноградную кислоту или метаболиты цикла трикарбоновых кислот.

Глюконеогенез- это путь, обратный гликолизу. Однако в этом пути есть три стадии, которые в энергетическом отношении не могут быть использованы при превращении пировиноградной кислоты в глюкозу. Эти три стадии гликолиза заменены «обходными» реакциями с меньшей затратой энергии.

Первой обходной реакцией является превращение пировиноградной кислоты в фосфоенолпировиноградную. Поскольку расщепление глюкозы происходит в митохондриях, а синтез - в цитоплазме, на первом этапе митохондриальная пировиноградная кислота превращается сначала в щавелево-уксусную. Катализирует это превращение фермент пируваткарбоксилаза, активируемая ацетил-КоА с участием АТФ. Образовавшаяся щавелево-уксусная кислота восстанавливается затем с участием НАД Н +Н + в яблочную:

Пировиноградная кислота + СО 2 Щавелево-уксусная кислота Яблочная кислота.

Яблочная кислота диффундирует в цитоплазму, окисляется цитоплазматической малатдегидрогеназой с образованием цитоплазматической щавелево-уксусной кислоты, из которой образуется фосфоенолпировиноградная кислота. Эту реакцию катализирует фосфоенолпируваткарбоксикиназа. Донором фосфорной кислоты служит ГТФ:

Яблочная кислота Щавелево-уксусная кислота Фосфоенолпировиноградная кислота.

Далее следует целая серия обратных реакций, заканчивающихся образованием фруктозо-1,6-дифосфата. Превращение фруктозо-1,6-дифосфата в фруктозо-6-фосфат- вторая необратимая реакция гликолиза. Поэтому она катализируется не фосфофруктокиназой, а фруктозодифосфатазой. Этот фермент катализирует необратимый гидролиз 1-фосфатной группы:

Фруктозо-1, 6-дифосфат + Н 2 О →Фруктозо-6-фосфат + Н 3 РО 4 .

На следующей (обратимой) стадии биосинтеза глюкозы фруктозо-6-фосфат превращается в глюкозо-6-фосфат под действием фосфоглюко-изомеразы гликолиза.

Расщепление глюкозо-6-фосфата до глюкозы - третья необратимая реакция, которая не осуществляется путем обращения гексокиназой. Свободная глюкоза образуется при помощи глюкозо-6-фосфатазы, катализирующей реакцию гидролиза:

Глюкозо-6-фосфат +Н 2 О → Глюкоза + H 3 PO 4 .

В большинстве клеток глюкозо-6-фосфат, образующийся в процессе гликогенолиза, используется как предшественник для биосинтеза олиго- и полисахаридов. Большую роль в биосинтезе этих сложных сахаров играет соединение уридинфосфоглюкоза, которая выполняет роль промежуточного переносчика глюкозы.

При биосинтезе гликогена, например, глюкозо-6-фосфат, превратившись в глюкозо-1-фосфат под действием фосфоглюкомутазы, взаимодействует с уридинтрифосфорной кислотой (УТФ) - соединением, аналогичным АТФ, в которое вместо аденина входит азотистое основание урацил. В результате этого взаимодействия при помощи глюкозо-I -фосфатуридилтрансферазы образуется уридилдифосфоглюкоза:

Глюкозо-1-фосфат + УТФ УДФ-глюкоза+Фн.

На заключительном этапе биосинтеза гликогена в реакции, катали-зируемой гликогенсинтетазой, остаток глюкозы с УДФ-глюкозы переносится на концевой остаток глюкозы амилазной цепи с образованием 1,4-гликозидной связи (см. гл. 16). Ветвление гликогена путем образования 1,6-связей завершается амило-1,4-1,6-трансглюкозидазой.

Биосинтез гликогена осуществляется не только из глюкозо-6-фосфата, образовавшегося путем глюконеогенеза. Как уже отмечалось выше, для его биосинтеза используется также часть глюкозы после всасывания. Синтез гликогена, как процесс образования подвижного резерва углеводов в организме, имеет большое биологическое значение. Ведущая роль в этом принадлежит печени. Благодаря синтезу и отложению гликогена в печени поддерживается постоянная концентрация глюкозы в крови и других тканях, а также предотвращаются потери ее с мочой при употреблении пищи, особенно углеводной. Кроме того, отложение гликогена в печени способствует постепенному использованию углеводов в зависимости от условий существования организма.

Использованию глюкозы для синтеза гликогена предшествует образование глюкозофосфорных эфиров. Сначала образуется глюко-зо-6-монофосфат. Источником энергии и донатором фосфата является АТФ. Катализирует эту реакцию гексокиназа. Под действием фермента фосфоглюкомутазы глюкозо-6-монофосфат превращается в глюкозо-1-монофосфат:

Дальнейшее превращение глюкозо-1-монофосфата до гликогена протекают уже знакомым нам путем.

Глава 24. ОБМЕН ЛИПИДОВ

Липиды представляют собой большую группу органических соединений. Все они различаются по своему химическому составу и структуре, но обладают одним общим для них свойством - нерастворимостью в воде. В связи с тем что ферменты, действующие на эти органические соединения, водорастворимы, расщепление и всасывание липидов в пищевом канале характеризуются некоторыми особенностями. Наличие же липидов различной структуры обусловливает различные пути их расщепления и синтеза.

Остановимся на обмене жиров, фосфатидов и стеридов, имеющих наиболее важное биологическое значение.

Обмен липидов, как и углеводов,- многоступенчатый процесс, который состоит из пищеварения, всасывания, транспортирования липидов кровью, внутриклеточного окисления и биосинтеза.

Переваривание липидов

Переваривание триглицеридов. Триглицериды, или нейтральные жиры, являются концентрированными источниками энергии в организме. При окислении 1 г жира высвобождается около 38,9 кДж энергии. Являясь гидрофобными соединениями, жиры резервируются в компактной форме, занимая сравнительно мало места в организме. Вместе с пищей в организм человека ежесуточно поступает до 70 г жиров растительного и животного происхождения. По своей химической природе они являются главным образом триглицеридами.

Расщепление жиров происходит при помощи ферментов, называемых липазами. Слюна не содержит таких ферментов, поэтому в ротовой полости жиры никаким изменениям не подвергаются. В желудке активность липазы очень слабая. Это связано с тем, что в желудке реакция среды сильнокислая (рН = 1,5-2,5), в то время как оптимум действия липазы находится при рН = 7,8 = 8,1. В связи с этим в желудке переваривается всего 3-5 % поступающих жиров.

Переваривание жиров в желудке происходит только у новорожденных и детей грудного возраста. Это связано с тем, что рН среды в желудке новорожденных составляет 5,6, а в этих условиях липаза проявляет большую активность. Кроме того, жир материнского молока, которое является основным продуктом питания детей в этот период, находится в сильно эмульгированном состоянии, а само молоко содержит липолитический фактор, принимающий участие в переваривании жиров.

Однако желудок все же играет определенную роль в процессе переваривания жиров у взрослых. Он регулирует поступление жира в кишки и переваривает белки, освобождая таким путем жир из липопротеидных комплексов пищи.

Основным местом переваривания жиров является двенадцатиперстная кишка и отделы тонкой кишки. Поскольку жиры нерастворимы в воде, а ферменты, расщепляющие их, являются водорастворимыми соединениями, необходимым условием для гидролитического расщепления жиров на составные части является их диспергирование (дробление) с образованием тонкой эмульсии. Диспергирование и эмульгирование жира происходит в результате действия нескольких факторов: желчных кислот, свободных высших жирных кислот, моно- и диглицеридов, а также белков. Этому способствуют также перистальтика кишок и постоянно образующийся углекислый газ, который выделяется при взаимодействии кислых компонентов пищи, поступающих из желудка, с карбонатами кишок, создающими щелочную среду. Образовавшийся углекислый газ «пробулькивает» через пищевые массы, участвуя таким образом в диспергировании жира. Нейтрализации содержимого желудка способствует также поступление в просвет тонкой кишки желчи, обладающей щелочным характером.)

Желчь - вязкая жидкость светло-желтого цвета со специфическим запахом, горькая на вкус. В состав желчи входят желчные кислоты. желчные пигменты, продукты распада гемоглобина, холестерин, лецитин, жиры, некоторые ферменты, гормоны и др. Желчь способствует перистальтике тонкой кишки, оказывает бактериостатическоедействие на ее микрофлору. С желчью выделяются из организма яды. Она является также активатором липолитических ферментов и повышает проницаемость стенки кишок.

Главной составной частью желчи являются желчные кислоты. Они образуются в печени из холестерина и находятся в желчи как в свободном, так и в связанном состоянии, а также в виде натриевых солей. В желчи человека содержится в основном три желчных кислоты Основную массу составляют холевая (3,7,12-тригидроксихола-новая) и дезоксихолевая (3,12-дигидроксихолановая), небольшую часть - литохолевая (3-гидроксихолановая) кислоты, которые являются производными холановой кислоты:

Холевая кислота может находиться в желчи также в связанном состоянии в виде парных соединений с глицином и производным цистеина таурином - соответственно гликохолевой и таурохолевой кислот:

Натриевая соль гликохолевой кислоты

Натриевая соль таурохолевой кислоты

Благодаря наличию желчных кислот происходит снижение поверхностного натяжения липидных капель, что способствует образованию очень тонкой и устойчивой эмульсии диаметр частиц которой составляет около 0,5 мкм. Образованию эмульсии способствуют также моноглицериды и высшие жирные кислоты. Эмульгирование жира приводит к колоссальному увеличению поверхности соприкосновения липазы с водным раствором. Таким образом, чем тоньше эмульсия жиров, тем лучше и быстрее они расщепляются липазой. Кроме того, в виде тонкой эмульсии жиры могут даже всасываться стенкой кишок непосредственно, не расщепляясь на составные части.

В присутствии желчных кислот под действием липазы в просвете тонкой кишки происходит гидролитическое расщепление жиров. В результате этого образуются продукты частичного и полного расщепления жиров - моно- и диглицериды, свободные высшие жирные кислоты и глицерин:

Здесь же содержится и часть нерасщепленного жира в виде очень тонкой эмульсии. Все эти продукты в дальнейшем всасываются стенкой кишок. В этой смеси триглицериды составляют около 10 % , моно-

идисахариды - также 10 % , а основная масса - около 80 % - продукты полного расщепления жиров- глицерин и высшие жирные

Переваривание фосфоглицеридов. Основным местом переваривания фосфатидов также является двенадцатиперстная кишка. Эмульгирование этих липидов происходит под влиянием тех же веществ, что и три-глицеридов. Однако гидролитическое расщепление фосфатидов осуществляется под действием фосфолипаз А, В, С и D. Каждый фермент действует на определенную сложноэфирную связь фосфолипида. Гидролитическое расщепление, например, лецитина происходит следующим образом:

Такому полному расщеплению подвергается незначительная часть фосфатидов, поскольку его промежуточные продукты хорошо растворимы в воде и легко всасываются стенкой кишок. К тому же фосфогли-цериды легко образуют эмульсии, которые также могут всасываться кишечной стенкой.

Переваривание стеридов. Стериды, входящие в состав пищи, эмульгируются под влиянием тех же факторов, что и жиры, после чего подвергаются гидролитическому расщеплению до свободных стеринов и высших жирных кислот. Этот процесс осуществляется под действием фермента холестеринэстеразы.

Всасывание липидов

Врезультате пищеварения жиров, фосфатидов, стеридов в просвете тонкой кишки образуется значительное количество продуктов их частичного и полного гидролитического расщепления: моно- и диглицериды, высшие жирные кислоты, стерины, азотистые основания, фосфорная кислота. Содержится также небольшое количество триглицеридов, находящихся в тонкоэмульгированном состоянии. Все эти продукты всасываются стенкой тонкой кишки.

Такие продукты расщепления, как жирные кислоты и холестерин, плохо растворяясь в воде, образуют с желчными кислотами водорастворимые комплексы- так называемые холеиновые кислоты. Эти кислоты легко проникают в эпителиальные клетки стенки кишок, где расщепляются на составные части. Освобожденные желчные кислоты возвращаются в просвет кишок и снова используются для транспортирования нерастворимых в воде продуктов расщепления жиров.

Часть продуктов расщепления (глицерин, глицеринфосфорная кислота, азотистые основания) хорошо растворимы в воде и легко проникают в эпителиальные клетки. Фосфорная кислота всасывается в клетки эпителия стенки тонкой кишки в виде натриевых и калиевых солей. В основе всасывания липидов лежит ряд сложных физико-химических и биологических процессов, для осуществления которых затрачивается энергия макроэргических связей АТФ.

В эпителиальных клетках слизистой оболочки кишок из всосавшихся продуктов гидролитического расщепления снова синтезируются липиды. Однако этот ресинтез приводит к образованию специфических жиров, характерных для данного организма.

Для образования нейтральных жиров используются высшие жирные кислоты, глицерин, моно- и диглицериды. Одновременно происходит и синтез фосфатидов, для которых используются главным образом глицеринфосфорная кислота, глицериды и диглицериды, а также в небольшом количестве моноглицериды. Из холестерина и высших жирных кислот образуются стериды.

В эпителиальных клетках стенки кишок из синтезированных липидов, а также капель всосавшихся триглицеридов, витаминов (A, D, Е, К) ибелков образуются комплексы размером 150-200 нм, называемые хило микронами. Внутреннее содержимое хиломикрона, представленное образовавшимися различного рода липидами, главным образом триглицеридами, окружено наружной белковой оболочкой, благодаря которой хиломикроны хорошо растворяются в воде. Хило-микроны диффундируют сначала в межклеточную жидкость, затем в лимфатические капилляры и в конце концов попадают в кровяное русло, где под действием гепарина распадаются на мелкие частицы. С током крови они разносятся по всему организму и откладываются в резерв в жировых депо - подкожной и околопочечной клетчатке, сальнике, брыжейке, мышечной ткани. Часть жиров крови используется для пластических целей, как источник химической энергии и т.д.

Таким образом, хиломикроны являются переносчиками образовавшихся в эпителиальных клетках тонкой кишки липидов. При этом они транспортируют в крови главным образом триглицериды.

Наряду с хиломикронами существуют и другие формы транспорта липидов кровью, например α- и β-липопротеиды. Их молекулы представляют собой сложные комплексы липидов с белками. α-Липопро-теиды являются основными транспортными формами фосфатидов, β-липопротеиды- переносчиками холестерина и его эфиров.

Наиболее подвижной формой липидов являются свободные высшие жирные кислоты.

Важная роль в активном транспортировании липидов принадлежит форменным элементам крови. Эритроциты, например, участвуют в переносе фосфатидов и холестерина, лейкоциты- триглицеридов.

Большая роль в обмене липидов принадлежит жировым депо. Исследования показали, что в жировых депо откладывается не только вновь синтезированный в организме специфически видовой жир, но и в небольших количествах чужеродный, т.е. входящий в состав пищи. Опыты, проведенные на голодающих собаках, показали, что пищевые жиры после всасывания поступают сначала в жировые депо, из которых переходят в плазму крови.

Таким образом, жировая ткань не является пассивным депо жиров, состав ее постоянно обновляется за счет липидов, всасывающихся из кишок или синтезируемых в организме.

В процессе пищеварения из кишечника в кровь в ощутимых коли чествах могут поступать галактоза или фруктоза. При расщеплении этих соединений в клетках уже на начальных этапах происходит об разование метаболитов, общих с рассмотренным нами путем распада глюкозы.

2.1.3.1. Начальный этап метаболизма галактозы

Галактоза, поступающая в клетки, подвергается фосфорилирова нию при участии фермента галактокиназы:

В следующей реакции образовавшийся Гал1ф взаимодействует с УДФглюкозой с образованием УДФгалактозы:

Реакция катализируется ферментом гексозо 1 фосфатуридилтрансфе разой.

УДФгалактоза > УДФглюкоза

Затем при взаимодействии с следующей молекулой Гал1ф обра зовавшийся в составе УДФглюкозы глюкозный остаток выделяется в виде глюкозо1фосфата. Гл1ф изомеризуется при участии фосфо глюкомутазы в гл6фосфат и включается в общий путь окисления глюкозы.

2.1.3.2. Начальный этап метаболизма фруктозы Фруктоза также после поступления в клетки подвергается фос форилированию с использованием в качестве фосфорилирующего агента АТФ. Реакция катализируется ферментом фруктокиназай. Образовавшийся Фр1ф расщепляется на глицериновый альдегид и фосфогидрокси ацетон (ФГА) при участии фермента фруктозо1фосфатальдо лазы. Глицериновый альдегид при участии фермента триозокиназы превращается в 3фосфоглицериновый альдегид, в ходе фосфорилиро вания используется молекула АТФ, переходящая в АДФ. Фосфогидр оксиацетон при участии триозофосфатизомеразы также превращается в 3фосфоглицериновый альдегид. Таким образом, из молекулы фрук тозы получается 2 молекулы 3фосфоглицеринового альдегида, а 3ФГА является промежуточным метаболитом окислительного расщепления глю козы.

Схема превращения фруктозы в 2 молекулы 3 ФГА

Возможен другой вариант начального этапа метаболизма фрукто зы. В этом случае фруктоза подвергается фосфорилированию при участии фермента гексокиназы с образованием фруктозо6фосфата с использованием в качестве фосфорилирующего агента АТФ. Однако способность гексокиназы фосфорилировать фруктозу сильно ингибиру ется в присутствии глюкозы, поэтому считается маловероятным, что бы этот вариант использования фруктозы играл скольлибо сущест венную роль в ее метаболизме.

2.1.3.3. Начальный этап метаболизма гликогена

Окислительное расщепление остатков глюкозы из молекулы гликогена чаще всего начинается с его фосфоролитического расщепления: при участии фермента фосфорилазы с использованием неорганческого фосфата от молекулы гликогена последовательно отщепляются моносахаридные блоки с образованием глюкозо1фосфата. Гл1ф при участии фосфоглюкомутазы превращается в гл6Ф метаболит окис лительного пути расщепления глюкозы. Такой путь использования гликогена характерен для клеток мышц или печени.

Для клеток мозга или кожи преобладающим является амилолити ческий путь расщепления гликогена: вначале под действием фермен тов амилазы и мальтазы гликоген расщепляется до свободной глюко зы, а затем глюкоза фосфорилируется и подвергается дальнейшему окислению уже известным нам путем.

2.1.4. Анаэробный метаболизм углеводов

Человек является аэробным организмом, так как основным ко нечным акцептором отщепляемых от окисляемых субстратов атомов во дорода является кислород. Парциальное давления кислорода в тканях составляет в среднем 3540 мм рт. ст. Но это вовсе не значит, что при определенных условиях в тканях не возникает дефицит кислорода, делающий невозможным протекание аэробных окислительных процессов. Торможение окислительных процессов при дефиците кислорода связано с тем, что клеточный пул НАД+ и других коферментов. способных ак цептировать атомы водорода от окисляемых субстратов, весьма ограни чен. Как только основная их масса переходит в восстановленное состояние изза дефицита кислорода, дегидрирование субстратов прекращается. Развивается гипоэнергетическое состояние, которое может стать причиной гибели клеток.

В подобного рода условиях в клетках различных органов и тка ней включаются механизмы, обеспечивающие клетки энергией, не за висящие от наличия кислорода. Основными из них являются анаэроб ное окисление глюкозы анаэробный гликолиз, и анаэробное расщеп ление гликогена гликогенолиз. В анаэробных условиях расщепление глюкозы и гликогена идет абсолютно идентичными по сравнению с ра нее рассмотренными нами метаболическими путями вплоть до образо вания пирувата. Однако далее эти пути расходятся: если в аэробных условиях пируват подвергается окислительному декарбоксилированию, то в анаэробных условиях пировиноградная кислота восстанавливает ся в молочную кислоту. Реакция катализируется ферментом лактатде гидрогеназой:

СООН СООН

С=О + НАДН+Н+ > НСОН + НАД+

Поскольку в ходе лактатдегидрогеназной реакции используются молекулы НАДН+Н+, ранее образовавшиеся при окислении 3фосфогли цериноваго альдегида в 1,3дифосфоглицериновую кислоту:

система становится независимой от кислорода, т.е. может работать в анаэробных условиях. Комбинация реакций, в ходе которых окисление 3ФГА в 1,3ДФГК генерирует НАДН+Н+, используемый в дальнейшем для восстановления пирувата в лактат, получила название гликоли тической оксидоредукции.

Разумеется, расщепление глюкозы до лактата сопровождается высвобождением лишь 1/12 1/13 всей заключенной в химических связях глюкозы энергии (~ 50 ккал/моль), тем не менее на каждую распавшуюся в ходе анаэробного гликолиза молекулу глюкозы клетка получает 2 молекулы АТФ (2 АТФ расходуется и 4 АТФ синтезируется). При гликогенолизе клетка получит 3 молекулы АТФ на каждый остаток глюкозы из молекулы гликогена (1 АТФ расходуется и 4 АТФ синте зируется). Несмотря на очевидную невыгодность в отношении коли чества высвобождаемой энергии анаэробные гликолиз и гликогенолиз позволяют клеткам существовать в условиях отсутствия кислорода.

Суммарное уравнение гликолиза:

Глюкоза + 2 АДФ + 2 Н3РО4Д> 2 Лактат + 2 АТФ + 2 Н2О Анаэробный путь окисления глюкозы и анаэробное расщепление гликогена играют важную роль в обеспечении клеток энергией, во первых, в условиях высокой экстренно возникающей функциональной нагрузки на тот или иной орган или организм в целом, примером че го может служить бег спортсмена на короткую дистанцию. Вовторых, эти процессы играют большую роль в обеспечении клеток энергией при гипоксичеких состояниях, например, при тромбозах артерий в период до развития коллатерального кровообращения или при тяжелых шоковых состояниях с выраженными расстройствами гемодинамики.

Активация анаэробного окисления углеводов приводит к увели чению продукции лактата в клетках и тканях. При сохранении крово обращения этот наработанный в клетках лактат выносится кровью и основная его часть метаболизируется в печени или в сердечной мыш це. В миокарде лактат окисляется до углекислого газа и воды; в печени же лишь примерно 1/5 поступающего лактата подвергается окислению до конечных продуктов, а 4/5 ресинтезируются в глюкозу в ходе интенсивно идущего в печени процесса глюконеогенеза.

Если же вынос лактата из гипоксической ткани невозможен, то при его накоплении в клетках за счет повышения концентрации про тонов ингибируется фосфофруктокиназа, в результате чего ингибиру ются и гликолиз, и гликогенолиз. Клетки, лишенные последних ис точников энергии, обычно погибают, что наблюдается при инфарктах различных органов, в особенности при инфаркте миокарда.

Следует заметить, что в клетках некоторых органов и тканей человека образование молочной кислоты происходит и в обычных, т.е. в аэробных условиях. Так. в эритроцитах, не имеющих мито хондрий. все необходимое для них количество энергии вырабатывает ся в ходе гликолиза. К тканям с относительно высоким уровнем аэ робного гликолиза относятся также сетчатка глаза и кожа. Высокий уровень аэробного гликолиза присущ также многим опухолям.

О Б М Е Н У Г Л Е В О Д О В

Биосинтетические процессы, протекающие в клетках, нуждаются не только в энергии, им необходимы также восстановительные эквиваленты в виде НАДФН+Н + и целый ряд моносахаридов, имеющих в своем составе пять атомов углерода,такие как рибоза,ксилоза и др.Образование восстановленного НАДФ идет в пентозном цикле окисления углеводов, а образование пентоз может происходить как в пентозном цикле окисления, так и в других метаболических путях.

3.1. Пентозный путь окисления углеводов

Этот метаболический путь известен также как пентозофосфатный цикл окисления глюкозы или апотомический путь окисления. Пентозный путь окисления углеводов включает в себя достаточно много отдельных парциальных реакций. Он может быть разделен на две части: окислительный его этап и неокислительный этап. Мы с вами остановимся преимущественно на его окислительном этапе, поскольку этого вполне достаточно, чтобы понять биологическую роль рассматриваемого метаболического процесса.

Итак, как обычно, первой реакцией является реакция фосфорилирования глюкозы:

Глюкоза + АТФ > Гл6ф + АДФ катализируемая гексокиназной.

На следующей стадии происходит окисление Гл-6-ф путем его дегидрирования: Реакция катализируется глюкозо6фосфатдегидрогеназай.

Далее идет взаимодействие 6фосфоглюконолактона с молекулой воды, что сопровождается разрывом цикла с образование 6фосфоглюконовой кислоты. Реакция катализируется ферментом лактоназой. А затем 6фосфоглюконат подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием рибулозо5фосфата, углекислого газа и восстановленного НАДФ; эта реакция катализируется 6 фосфоглюконатде гидрогеназой. Последовательность из двух описанных реакций представлена на приведенной ниже схеме:

Суммарное уравнение окислительного этапа пентозного цикла окисления:

Глюкоза + АТФ + 2 НАДФ + + Н 2 О > Рибулозо5ф + СО 2 + 2НАДФН+Н + + АДФ

Часто началом пентозного цикла окисления углеводов считают реакцию окисления Гл6ф, в последнем случае суммарное уравнение окислительного этапа цикла приобретает вид:

Гл6ф + 2НАДФ + + Н 2 О > Рибулозо5ф + СО 2 + 2НАДФН+Н +

В ходе неокислительного этапа цикла в результате изомеризации образуются необходимые для клетки фосфорилированные пентозы: рибозо5фосфат и ксилулозо5фосфат. Кроме того, важно отметить,что на этом этапе образуются промежуточные продукты, идентичные с промежуточными продуктами первого этапа аэробного окисления глюкозы: 3фосфоглицериновый альдедид и Фр6ф. За счет этих общих промежуточных соединений создается возможность переключения потока метаболитов с пентозного цикла окисления на путь аэробного (или анаэробного) окисления глюкозы и наоборот.

За шесть оборотов пентозного цикла окисления полностью сгорает один остаток глюкозы, так что суммарное уравнение окисления глюкозы в цикле, начиная с Гл6ф, можно представить в следующем виде:

Гл6ф + 7 Н 2 О + 12 НАДФ + > 6 СО 2 + Ф + 12 НАДФН+Н +

Пентозофосфатный цикл активно функционирует в печени, жировой ткани, коре надпочечников, семенниках и в молочной железе в период лактации. В этих тканях активно идут процессы синтеза высших жирных кислот, аминокислот или стероидов, нуждающиеся в восстановительных эквивалентах в виде НАДФН+Н + .Цикл интенсивно работает также в эритроцитах, в которых НАДФН+Н + используется для подавления перекисного окисления мембранных липидов. Мышечная ткань содержит очень малые количества глюкозо6фосфатдегидрогеназы и 6фосфоглюконатдегидрогеназы, тем не менее, она также способна синтезировать необходимую клеткам рибозу.

3.2. Путь образования глюкуроновой кислоты

Глюкуроновая кислота является соединением, выполняющим в организме несколько функций:

а) она входит в состав гетероолиго и гетерополисахаридов,выполняя таким образом структурную функцию,

б) она принимает участие в процессах детоксикации,

в) она может быть преобразована в клетках в пентозу ксилулозу (которая, кстати, является общим промежуточным метаболитом с пентозным циклом окисления глюкозы).

В организме большинства млекопитающих по этому метаболическому пути идет синтез аскорбиновой кислоты; к сожалению, у приматов и морских свинок не синтезируется один из ферментов, необходимых для превращения глюкуроновой кислоты в аскорбиновую и человек нуждается в поступлении аскорбиновой кислоты с пищей.

Схема метаболического пути синтеза глюкуроновой кислоты:

3.3. Г л ю к о н е о г е н е з

В условиях недостаточного поступления углеводов в пище или даже их полного отсутствия все необходимые для организма человека углеводы могут синтезироваться в клетках. В качестве соединений, углеродные атомы которых используются при биосинтезе глюкозы,могут выступать лактат, глицерол, аминокислоты и др. Сам процесс синтеза глюкозы из соединений неуглеводной природы носит название глюконеогенез. В дальнейшем из глюкозы или из промежуточных продуктов ее метаболизма могут быть синтезированы все другие соединения, относящиеся к углеводам.

Рассмотрим процесс синтеза глюкозы из лактата. Как мы уже упоминали, в гепатоцитах примерно 4/5 поступающего из крови лактата преобразуется в глюкозу. Синтез глюкозы из лактата не может быть простым обращением процесса гликолиза, так как в гликолиз включены три киназные реакции: гексокиназная,фосфофруктокиназная и пируваткиназная необратимые по термодинамическим причинам. Вместе с тем, в ходе глюконеогенеза используются ферменты гликолиза, катализирующие соответствующие обратимые равновесные реакции, типа альдолазы или енолазы.

Глюконеогенез из лактата начинается с превращения последнего в пируват с участием фермента лактатдегидрогеназы:

СООН СООН

2 НСОН + 2 НАД + > 2 С=О + 2 НАДН+Н +

Лактат Пируват

Наличие индекса «2» перед каждым членом уравнения реакции обусловлено тем, что для синтеза одной молекулы глюкозы требуется две молекулы лактата.

Пируваткиназная реакция гликолиза необратима, поэтому невозможно получить фосфоенолпируват (ФЭП) непосредственно из пирувата. В клетке эта трудность преодолевается с помощью обходного пути, в котором участвуют два дополнительных фермента, не работающие при гликолизе. Вначале пируват подвергается энергозависимому карбоксилированию с участием биотинзависимого фермента пируват карбоксилазы:

СООН СООН

2 С=О + 2 СО 2 + 2 АТФ > 2 С=О + 2 АДФ + 2 Ф

Щавелевоуксусная кта А затем в результате энергозависимого декарбоксилирования щавелевоуксуная кислота превращается в ФЭП. Эту реакцию катализирует фермент фосфоенолпируваткарбоксикиназа (ФЭПкарбоксикиназа) , а источником энергии является ГТФ:

Щавелево

2 уксусная + 2 ГТФ Д> 2 С ~ ОРО 3 Н 2 +2 ГДФ +2 Ф

кислота СН 2

Фосфоенолпируват

Далее все реакции гликолиза вплоть до реакции, катализируемой фосфофруктокиназой обратимы. Необходимо лишь наличие 2 молекул восстановленного НАД, но он получен в ходе лактатдегидрогеназной реакции. Кроме того, необходимы 2 молекулы АТФ для обращения фосфоглицераткиназной киназной реакции:

2 ФЭП + 2 НАДН+Н + + 2 АТФ > Фр1,6бисФ + 2НАД + + 2АДФ + 2Ф

Необратимость фосфофруктокиназной реакции преодолевается путем гидролитеческого отщепления от Фр1,6бисФ остатка фосфорной кислоты, но для этого требуется дополнительный фермент фруктозо 1,6 бисфосфатаза:

Фр1,6бисФ + Н 2 О > Фр6ф + Ф

Фруктозо6фосфат изомеризуется в глюкозо6фосфат, а от последнего гидролитеческим путем при участии фермента глюко зо6фосфатазы отщепляется остаток фосфорной кислоты, чем преодолевается необратимость гексокиназной реакции:

Гл6Ф + Н 2 О > Глюкоза + Ф

Суммарное уравнение глюконеогенеза из лактата:

2 лактат + 4 АТФ + 2 ГТФ + 6 Н 2 О >> Глюкоза + 4 АДФ + 2 ГДФ + 6 Ф

Из уравнения следует, что на синтез 1 молекулы глюкозы из 2 молекул лактата клетка затрачивает 6 макроэргических эквивалентов. Это означает, что синтез глюкозы будет идти лишь в том случае, когда клетка хорошо обеспечена энергией.

Промежуточным метаболитом глюконеогенеза являются ЩУК, которая одновременно является и промежуточным метаболитом цикла трикарбонывых кислот. Отсюда следует: любое соединение, углеродный

скелет которого может быть превращен в ходе обменных процессов в один из промежуточных продукта цикла Кребса или в пируват, может через преобразование его в ЩУК быть использовано для синтеза глюкозы. Этим путем для синтеза глюкозы используются углеродные скелеты ряда аминокислот. Некоторые аминокислоты, например, аланин или серин, в ходе своего расщепления в клетках преобразуются в пируват, также, как мы уже выяснили, являющийся промежуточным продуктом глюконеогенеза. Следовательно, и их углеродные скелеты могут быть использованы для синтеза глюкозы. Наконец, при расщеплении глицерола в клетках в качестве промежуточного продукта образуется 3фосфоглицериновый альдегид, который тоже может включаться в глюконеогенез.

Мы выяснили, что для протекания глюконеогенеза требуется 4 фермента, не принимающих участия в окислительном расщеплении глюкозы это пируваткарбоксилаза, фосфоенолпируваткарбоксикиназа, фруктозо1,6бисфосфатаза и глюкозо6фосфатаза. Естественно ожидать, что регуляторными ферментами глюконеогенеза будут ферменты, не принимающие участие в расщеплении глюкозы. Такими регуляторными ферментами являются пируваткарбоксилаза и фруктозо1,6бисфосфатаза. Активность пируваткарбоксилазы ингибируется по аллостерическому механизму высокими концентрациями АДФ,а активность Фр1,6бисфосфатазы также по аллостерическому механизму угнетается высокими концентрациями АМФ. Таким образом, в условиях дефицита энергии в клетках глюконеогенез будет заторможен, вопервых, изза недостатка АТФ, а, вовторых, изза аллостерического ингибирования двух ферментов глюконеогенеза продуктами расщепления АТФ АДФ и АМФ.

Нетрудно заметить, что скорость гликолиза и интенсивность глюконеогенеза регулируются реципрокно. При недостатке энергии в клетке работает гликолиз и ингибирован глюконеогенез, в то время как при хорошем энергетическом обеспечении клеток в них работает глюконеогенез и ингибировано расщепление глюкозы.

Важным звеном в регуляции глюконеогенеза являются регуляторные эффекты ацетилКоА, который выступает в клетке как аллостерический ингибитор пируватдегидрогеназного комплекса и одновременно служит аллостерическим активатором пируваткарбоксилазы. Накопление ацетилКоА в клетке, образующегося в больших количествах при окислении высших жирных кислот, ингибирует аэробное окисление глюкозы и стимулирует её синтез.

Биологическая роль глюконеогенеза чрезвычайно велика, так как глюконеогенез не только обеспечивает органы и ткани глюкозой, но еще и перерабатывает образующийся в тканях лактат, препятствуя тем самым развитию лактатацидоза. За сутки в организме человека за счет глюконеогенеогенеза может быть синтезировано до 100120 г глюкозы, которая в условиях дефицита углеводов в пище в первую очередь идет на обеспечение энергетики клеток головного мозга. Кроме того, глюкоза необходима клеткам жировой ткани как источник глицерола для синтеза резервных триглицеридов, глюкоза необходима клеткам различных тканей для по ержания нужной им концентрации промежуточных метаболитов цикла Кребса, глюкоза служит единственным видом энергетического топлива в мышцах в условиях гипоксии, её окисление является также единственным источником энергии для эритроцитов.

3.4. Общие представления об обмене гетерополисахаридов

Соединения смешанной природы, одним из компонентов которых является углевод, получили собирательное название гликоконьюгаты. Все гликоконьюгаты принято делить на три класса:

1.Гликолипиды.

2.Гликопротеиды (на углеводный компонент приходится не более 20% общей массы молекулы).

3.Гликозаминопротеогликаны (на белковую часть молекулы обычно приходится 23% общей массы молекулы).

Биологическая роль этих соединений была рассматрена ранее. Следует лишь еще раз упомянуть о большом разнообразии мономерных единиц, образующих углеводные компоненты гликоконьюгатов: моносахариды с различным числом атомов углерода, уроновые кислоты, аминосахара, сульфатированные формы различных гексоз и их производных, ацетилированные формы аминосахаров и др. Эти мономеры могут быть соединены между собой различными типами гликозидных связей с образованием линейных или разветвленных структур, и если из 3 различных аминокислот можно построить лишь 6 различных пептидов, то из 3 мономеров углеводной природы можно построить до 1056 разных олигосахаридов. Такое разнообразие структуры гетерополимеров углеводной природы говорит о колоссальном объёме содержащейся в них информации, вполне сопоставимом с объемом информации, имеющимся в белковых молекулах.

3.4.1. Представление о синтезе углеводных компонентов гликозаминопротеогликанов

Углеводными компонентами гликозаминопротеогликанов являются гетерополисахариды: гиалуроновая кислота, хондроитинсульфаты, кератансульфат или дерматансульфат, присоединенные к полипептидной части молекулы с помощью Огликозидной связи через остаток серина. Молекулы этих полимеров имеют неразветвленную структуру. В качестве примера можно привести схему строения гиалуроновой кислоты:

Из приведенной схемы следует,что молекула гиалуроновой кислоты присоединена к полипептидной цепи белка с помощью Огликозидной связи. Сама же молекула состоит из связующего блока, состоящего из 4 мономерных единиц (Кси, Гал, Гал и Гл.К), соединенных между собой опятьтаки гликозидными связями и основной части, построенной из «n»ного числа биозных фрагментов, в состав каждого из которых входит остаток ацетилглюкозамина (АцГлАм) и остаток глюкуроновой кислоты (Гл.К), причем связи внутри блока и между блоками-Огликозидные. Число «n» составляет несколько тысяч.

Синтез полипептидной цепи идет на рибосомах с помощью обычного матричного механизма. Далее полипептидная цепь поступает в аппарат Гольджи и уже непосредственно на ней происходит сборка гетерополисахаридной цепи. Синтез носит нематричный характер, поэтому последовательность присоединения мономерных единиц определяется специфичностью участвующих в синтезе ферментов. Эти ферменты носят общее название гликозилтрансферазы. Каждая отдельная гликозилтрансфераза обладает субстратной специфичностью как к присоединяемому ею моносахаридному остатку, так и к структуре надстраиваемого ею полимера.

Пластическим материалом для синтеза служат активированные формы моносахаридов. В частности, при синтезе гиалуроновой кислоты используются УДФпроизводные ксилозы, галактозы, глюкуроновой кислоты и ацетилглюкозамина.

Вначале под действием первой гликозилтрансферазы (Е 1) происходит присоединение остатка ксилозы к радикалу серина полипептидной цепи, затем при участии двух различных гликозилтрансфераз (Е 2 и Е 3) к строящейся цепи присоединяется 2 остатка галактозы и при действии четвертой галактозилтрансферазы (Е 4) завершается формирование связующего олигомерного блока присоединением остатка глюкуроновой кислоты. Дальнейшее наращивание полисахаридной цепи идет путем повторного чередующегося действия двух ферментов, один из которых катализирует присоединение остатка ацетилглюкозамина (Е 5) , а другой остатка глюкуроновой кислоты (Е 6).

Синтезированная таким образом молекула поступает из аппарата Гольджи в область наружной клеточной мембраны и секретируется в межклеточное пространство.

В состав хондроитинсульфатов, кератансульфатов и др. гликозаминогликанов встречаются сульфатированные остатки мономерных единиц. Это сульфатирование происходит после включения соответствующего мономера в полимер и катализируется специальными ферментами. Источником остатков серной кислоты является фосфоаденозинфосфосульфат (ФАФС) активированная форма серной кислоты.

Основным путем образования энергии в организме является аэробное окисление углеводов. При этом глюкоза в присутствии кислорода окисляется до СО 2 и Н 2 О с выделением большого количества энергии, часть которой идет на синтез 38-39 молекул АТФ.

Аэробный процесс идет по следующей схеме:

С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 → 6СО 2 + 6H 2 О + 680 ккал.

Аэробное окисление глюкозы может происходить двумя путями - прямым и непрямым.

При прямом пути окисления глюкозы (синонимы: апотомический или пентозный цикл) происходит последовательное отщепление от молекулы глюкозы каждого из ее 6 атомов углерода с образованием в течение одного цикла одной молекулы СО 2 и Н 2 О. Распад всей молекулы глюкозы происходит в течение 6 повторяющихся циклов. Этот процесс преобладает в эритроцитах, лактирующей молочной железе, коре надпочечников, хрусталике глаза; в печени и почках он является побочным путем распада углеводов.

Особенностью этого процесса является образование пентоз, которые идут на построение РНК и ДНК, выделение энергии (36 молекул АТФ) и накопление НАДФН 2 -кофермента дегидрогеназ, которые участвуют в синтезе холестерина, жирных кислот, активировании фолиевой кислоты и т. д.

В печени и почках преобладает другой путь окисления глюкозы, который называется непрямым, или дихотомическим (см. схему 3). В ходе этого процесса молекула глюкозы предварительно расщепляется на две молекулы фосфотриоз (процесс аналогичен анаэробному распаду углеводов) с последующим образованием пировиноградной кислоты. Пировиноградная кислота в результате окислительного декарбоксилирования превращается в ацетил-КоА

Последний поступает в цикл Креоса, где происходит ею постепенное окисление до СО 2 и Н 2 О и выделение большого количества энергии.

В ходе "непрямого" окисления одной молекулы глюкозы выделяется 680 ккал энергии, из которой образуется 38-39 молекул АТФ (см. схему 3).

В дрожжевых клетках и разных микроорганизмах также происходят процессы распада углеводов, однако конечные продукты различны в зависимости от вида микробов и дрожжей. Так, в дрожжевых клетках происходят процессы образования этилового спирта.

Механизм спиртового брожения глюкозы был вскрыт работами И. М. Манассеиной, Э. Бухнера, А. Н. Лебедева и других авторов. Под действием ферментов дрожжевых клеток происходит ранее рассмотренный процесс распада глюкозы или гликогена до пировиноградной кислоты. Последняя подвергается декарбоксилированию с образованием уксусного альдегида, который восстанавливается в этиловый спирт:

Таким образом, конечными продуктами спиртового брожения являются СО 2 и этиловый спирт.

Молочнокислые бактерии превращают углеводы в молочную кислоту, маслянокислые - в масляную кислоту и т. д.

При изучении брожения Л. Пастер обратил внимание на то, что при избытке кислорода процесс гликолиза тормозится. Этот факт получил название эффекта Пастера . Объяснения ему пока еще нет. Существуют различные гипотезы, но ни одна из них не может с достаточной степенью точности его объяснить.

Исследованиями О. Варбурга было установлено, что в эмбриональной ткани и тканях злокачественных опухолей кислород не тормозит гликолиз. Образование молочной кислоты в присутствии кислорода получило название "аэробный гликолиз" .

Аэробное окисление углеводов - основной путь образования энергии для организма. Непрямой - дихотомический и прямой - апотомический.

Прямой путь распада глюкозы - пентозный цикл - приводит к образованию пентоз и накоплению НАДФН 2 . Пентозный цикл характеризуется последовательным отщеплением от молекул глюкозы каждого из ее 6 атомов углерода с образованием в течение одного цикла по 1 молекуле углекислого газа и воды. Распад всей молекулы глюкозы происходит в течение 6 повторяющихся циклов.

Значение пентозофосфатного цикла окисления углеводов в обмене веществ велико:

1. Он поставляет восстановленный НАДФ, необходимый для биосинтеза жирных кислот, холестерина и т.д. За счет пентозного цикла на 50% покрывается потребность организма в НАДФН 2 .

2. Поставка пентозофосфатов для синтеза нуклеиновых кислот и многих коферментов.

Реакции пентозного цикла протекают в цитоплазме клетки.

При ряде патологических состояний удельный вес пентозного пути окисления глюкозы возрастает.

Непрямой путь - распад глюкозы до углекислого газа и воды с образованием 36 молекул АТФ.

1. Распад глюкозы или гликогена до пировиноградной кислоты

2. Превращение пировиноградной кислоты в ацетил- КоА

Окисление ацетил-КоА в цикле Кребса до углекислого газа и воды

С 6 Н 12 О 6 + 6 О 2 6 СО 2 + 6 Н 2 О + 686 ккал

В случае аэробного превращения пировиноградная кислота подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием ацетил- КоА, который затем окисляется до углекислого газа и воды.

Окисление пирувата до ацетил-КоА, катализируется пируватдегидрогеназной системой и протекает в несколько стадий. Суммарно реакция:

Пируват + НАДН + НS-КоА ацетил- КоА+ НАДН 2 + СО 2 реакция практически необратима

Полное окисление ацетил-КоА происходит в цикле трикарбоновых кислот или цикле Кребса. Этот процесс протекает в митохондриях.

Цикл состоит из 8 последовательных реакций:

В этом цикле, молекула, содержащая 2 атома углерода (уксусная кислота в форме ацетил-КоА) реагирует с молекулой щавелевоуксусной кислоты, в результате чего образуется соединение с 6 атомами углерода - лимонная кислота. В процессе дегидрирования, декарбоксилирования и подготовительной реакции лимонная кислота вновь превращается в щавелевоуксусную кислоту, которая легко соединяется с другой молекулой ацетил- КоА.

1) ацетил-КоА + оксалоацетат (ЩУК) лимонная кислота

цитратсинтаза

2) лимонная кислота изолимонная кислота

аконитатгидратаза

3)изолимонная к-та+НАД-кетоглутаровая к-та+НАДН 2 + СО 2

изоцитратдегидрогеназа

4)-кетоглутаровая к-та+НS-КоА+НАДсукцинилSКоА+НАДН 2 + СО 2

5) сукцинил-КоА+ГДФ+Фнянтарная кислота+ГТФ+НS-КоА

сукцинил КоА синтетаза

6) янтарная кислота+ФАДфумаровая кислота+ФАДН 2

сукцинатдегидрогеназа

7) фумаровая кислота+ Н 2 О L яблочная кислота

фумаратгидратаза

8) малат+ НАДоксалоацетат+ НАДН 2

малатдегидрогеназа

Итого при расщеплении в тканях молекулы глюкозы синтезируется 36 молекул АТФ. Несомненно, это в энергетическом отношении более эффективный процесс чем гликолиз.

Цикл Кребса - общий конечный путь, которым завершается обмен углеводов, жирных кислот и аминокислот. Все эти вещества включаются в цикл Кребса на том или другом этапе. Далее происходит биологическое окисление или тканевое дыхание, главной особенностью которого является то, что оно протекает постепенно, через многочисленные ферментативные стадии. Этот процесс происходит в митохондриях, клеточных органеллах, в которых сосредоточено большое количество ферментов. В процессе участвуют пиридинзависимые дегидрогеназы, флавинзависимые дегидрогеназы, цитохромы, коэнзим Q - убихинон, белки, содержащие негеминовое железо.

Интенсивность дыхания управляется соотношением АТФ/АДФ. Чем меньше это отношение, тем интенсивнее идет дыхание, обеспечивая выработку АТФ.

Также цикл лимонной кислоты является в клетке главным источником двуокиси углерода для реакций карбоксилирования, с которых начинается синтез жирных кислот и глюконеогенез. Та же двуокись углерода поставляет углерод для мочевины и некоторых звеньев пуриновых и пиримидиновых колец.

Взаимосвязь между процессами углеводного и азотистого обмена также достигаются посредством промежуточных продуктов цикла лимонной кислоты.

Существует несколько путей, по которым промежуточные продукты цикла лимонной кислоты включаются в процесс липогенеза. Расщепление цитрата приводит к образованию ацетил-КоА, играющего роль предшественника в биосинтезе жирных кислот.

Изоцитрат и малат обеспечивают образование НАДФ, который расходуется в последующих восстановительных этапах синтеза жиров.

Роль ключевого фактора, определяющего превращение НАДН играет состояние адениннуклеотидов. Высокое содержание АДФ и низкое АТФ свидетельствует о малом запасе энергии. При этом НАДН вовлекается в реакции дыхательной цепи, усиливая сопряженные с запасанием энергии процессы окислительного фосфорилирования. Обратное явление наблюдается при низком содержании АДФ и высоком АТФ. Ограничивая работу системы переноса электронов, они способствуют использованию НАДН в других восстановительных реакциях, таких как синтез глутамата и глюконеогенез.

15.2.1. Гликолиз - это ферментативный распад глюкозы в аэробных условиях до двух молекул пировиноградной кислоты (аэробный гликолиз ), а в анаэробных условиях - до двух молекул молочной кислоты (анаэробный гликолиз ). В анаэробных условиях гликолиз протекает в тканях без потребления кислорода и является единственным процессом, поставляющим АТФ, так как окислительное фосфорилирование в этих условиях не функционирует. Анаэробный гликолиз происходит во всех тканях, функционирующих в условиях гипоксии, прежде всего в скелетных мышцах. Гликолиз в эритроцитах даже в присутствии кислорода завершается образованием лактата, поскольку в этих клетках отсутствуют митохондрии.

Гликолиз протекает в цитозоле клеток организма. Этот процесс катализируется одиннадцатью ферментами, которые выделены в высокоочищенном состоянии и хорошо изучены. Условно можно разделить гликолиз на две стадии.

15.2.2. Первая стадия гликолиза является подготовительной и включает реакции превращения молекулы глюкозы в две молекулы фосфотриоз. Эта стадия сопровождается затратой молекул АТФ.

Начальной реакцией превращения глюкозы в клетке является её фосфорилирование в результате взаимодействия с АТФ (рисунок 15.1, реакция 1). Эта реакция в условиях клетки протекает только в одном направлении. Биологическая роль реакции фосфорилирования глюкозы заключается в том, что глюкозо-6-фосфат, в отличие от свободной глюкозы, не может проникать через плазматическую мембрану обратно в кровь и оказывается «запертой» в клетке. Таким образом, глюкозо-6-фосфат является ключевым метаболитом углеводного обмена, на уровне которого осуществляется интеграция различных путей превращения глюкозы в клетке.

В большинстве тканей реакцию фосфорилирования глюкозы катализирует фермент гексокиназа , которая обладает высоким сродством к глюкозе, способна также фосфорилировать фруктозу и маннозу и аллостерически ингибируется избытком глюкозо-6-фосфата. В клетках печени, кроме того, есть фермент глюкокиназа , которая имеет низкое сродство к глюкозе, не ингибируется глюкозо-6-фосфатом и не участвует в фосфорилировании других моносахаридов. Глюкокиназа эффективно функционирует только при высокой концентрации глюкозы в крови. Это способствует усвоению большого количества углеводов, поступающих в печень из кишечника в активную фазу пищеварения.

В следующей реакции глюкозо-6-фосфат изомеризуется во фруктозо-6-фосфат (рисунок 15.1 , реакция 2).

Продукт реакции изомеризации подвергается повторному фосфорилированию за счёт АТФ (рисунок 15.1 , реакция 3). Эта реакция - наиболее медленно протекающая реакция гликолиза и, подобно фосфорилированию глюкозы, необратима. Фермент - фосфофруктокиназа - является аллостерическим, активируется АДФ, АМФ, и фруктозо-2,6-бисфосфатом, а ингибируется цитратом и высокой концентрацией АТФ.

На следующем этапе фруктозо-1,6-дифосфат подвергается расщеплению на две фосфотриозы (рисунок 15.1 , реакция 4). Таким образом, химическое соединение, содержащее 6 углеродных атомов, превращается в два, содержащих по 3 атома углерода. Поэтому гликолиз называют дихотомическим путём превращения глюкозы (от слова «дихотомия» - рассечение на две части).

Далее происходит изомеризация триозофосфатов (рисунок 15.1 , реакция 5). В этой реакции диоксиацетонфосфат переходит в глицеральдегид-3-фосфат. Таким образом, в первой стадии гликолиза молекула глюкозы превращается в две молекулы глицеральдегид-3-фосфата. Поэтому в реакциях второй стадии глюкозы будет участвовать по две молекулы каждого субстрата, что необходимо учитывать при расчёте энергетического баланса данного метаболического пути.

Рисунок 15.1. Реакции первой стадии гликолиза.

15.2.3. Вторая стадия гликолиза включает реакции превращения двух молекул глицеральдегид-3-фосфата в две молекулы лактата. На этой стадии гликолиза происходит синтез молекул АТФ.

Глицеральдегид-3-фосфат подвергается дегидрированию при участии НАД-зависимой дегидрогеназы. В этой реакции происходит потребление неорганического фосфата, который включается в состав продукта реакции, содержащего макроэргическую фосфатную связь (рисунок 15.2, реакция 6), а промежуточным донором водорода служит SH-группа в активном центре фермента, которая потом регенерирует.

1,3-Дифосфоглицерат вступает в реакцию первого субстратного фосфорилирования, т.е. не сопряжённого с переносом электронов в дыхательной цепи. В этой реакции осуществляется синтез молекулы АТФ в результате переноса фосфатной группы вместе с макроэргической связью на молекулу АДФ (рисунок 15.2, реакция 7).

В следующей реакции происходит внутримолекулярное перемещение фосфатной группы 3-фосфоглицерата ко 2-му углеродному атому (рисунок 15.2, реакция 8). Тем самым облегчается последующее отщепление молекулы воды, которое приводит к появлению в продукте реакции макроэргической фосфатной связи (рисунок 15.2, реакция 9).

Фосфоенолпируват (ФЕП) вступает в реакцию второго субстратного фосфорилирования, в ходе которого образуется молекула АТФ. В отличие от первого субстратного фосфорилирования, данная реакция является необратимой в условиях клетки (рисунок 15.2, реакция 10). Фермент пируваткиназа существует в двух изоферментных формах. Изофермент, присутствующий в печёночных клетках, аллостерически ингибируется АТФ и активируется фруктозо-1,6-дифосфатом. Изофермент, присутствующий в головном мозге, мышцах и других тканях, не является аллостерическим и не принимает участия в регуляции гликолиза.

В заключительной реакции гликолиза происходит использование НАДН, образовавшегося при дегидрировании глицеральдегид-3-фосфата (см. реакцию 6). При участии НАД-зависимой лактатдегидрогеназы пируват восстанавливается в молочную кислоту (рисунок 15.2, реакция 11). Фермент существует в пяти изоферментных формах, отличающихся сродством к субстрату и распределением в тканях.

Рисунок 15.2. Реакции второй стадии гликолиза.

Таким образом, в процессе образования лактата из глюкозы в клетке не накапливается НАДН. Это значит, что данный процесс является анаэробным и может протекать без участия кислорода (который является конечным акцептором электронов, передаваемых НАДН в дыхательную цепь). В тканях, функционирующих в условиях гипоксии,

При подсчёте энергетического баланса гликолиза следует учитывать, что каждая из реакций второй стадии этого метаболического пути повторяется дважды. Таким образом, в первой стадии было затрачено 2 молекулы АТФ, а во второй стадии путём субстратного фосфорилирования образовалось 2х2 = 4 молекулы АТФ; следовательно при окислении одной молекулы глюкозы в клетке накапливается 2 молекулы АТФ.